光纤光栅在轮轨作用力监测中的应用研究

轮轨相互作用力的长期监测对保障列车的安全运营具有重大意义,而传统的轮轨作用力检测手段,如车载检测及地面测试等,均难以满足长期实时监测的需要.为此,提出了一种基于光纤光栅的轮轨力长期监测方法,通过在钢轨跨中断面的3处不同部位粘贴光纤光栅传感器,采集列车通过时的钢轨修正应变,结合现场标定的轮轨力-钢轨应变线性关系,可长期实时获取轮轨相互作用力.布设了室外监测试验平台,对该测试方法进行了试验验证,并于北京地铁14号线构建了轮轨力长期监测示范工点,为线路安全运营提供了指导.监测结果表明,在轨道交通正常运营条件下,光纤光栅传感器可以很好地捕捉轮轨间相互作用力的动态变化趋势,且能够较为准确地反映轮轨力测试幅值.     

高速列车轮轨噪声的降低途径

列车速度是影响轮轨噪声大小的主要因素之一，由于轮轨噪声对车速的依赖性，其声级将随着列车不断高速化会愈来愈大，目前已有许多文献对轮轨噪声进行研究并提出了一些措施，轮轨噪声有所降低，但仍然是列车的主要噪声源。本文通过轮轨噪声的理论分析和实验数据分析，查明轮轨噪声主要来源于钢轨振动产生的辐射噪声，因此，设法减小钢轨的振动是降低轮轨噪声的最有效途径。     

地铁列车作用下不同无砟轨道结构振动响应

建立了单趾弹簧扣件、弹性支承块式、橡胶浮置板式3种无砟轨道的空间振动分析模型和地铁列车-无砟轨道系统空间振动分析方程.分别计算了3种无砟轨道在地铁列车荷载作用下的空间振动响应,并比较了系统响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明,系统振动响应随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;橡胶浮置板式轨道的竖向位移、横向位移与轨距扩大值最大;单趾弹簧扣件轨道轮轨作用力最大,橡胶浮置板轨道轮轨作用力最小;支承块和浮置板振动加速度明显小于钢轨振动加速度;在3种轨道行驶条件下,随着车速提高列车脱轨系数和轮重减载率均增大,竖向振动加速度最大值、横向振动加速度最大值、Sperling竖向舒适度指标和Sperling横向舒适度指标大致呈现先增大后减小趋势.当地铁列车在80km/h以下的运行速度通过这3种轨道结构时,列车的安全性和舒适性均能得到保证.     

车轮扁疤伤损对高速列车轮对动力学性能影响

车轮扁疤是铁道车辆车轮踏面的缺陷形式之一,对轮轨动力和运用安全有明显的影响.本文建立了弹性车辆系统动力学模型,且将车轮扁疤伤损考虑为车轮轮径变化.利用数值仿真,研究了车轮扁疤伤损对高速列车轮轨冲击力、轮对振动及轮轨接触性能等的影响,并结合列车运行安全性指标得到了不同速度等级下车轮扁疤长度安全限值.结果表明,弹性车辆系统模型可以准确体现轮对旋转运动特征.车轮扁疤伤损对轮轨系统垂向和横向均产生冲击作用,对轮轨系统垂向冲击作用尤为明显,将显著增大轮对旋转振动频率及其倍频对应的振动能量,且会激起轮对中高频弹性共振.车轮出现40mm扁疤时,随着车轮旋转运动,轮轨接触点向轮背侧出现周期性横移,轮轨接触斑面积最大可达142mm2,轮轨纵向和横向蠕滑率分别增大4%和16%.轮轨力、轮对振动加速度及轮轨磨耗指数均会随车轮扁疤长度的增加而增大.当列车运行速度在300km/h及以下时,车轮扁疤长度需限制在30mm;当列车运行速度达到350km/h时,车轮扁疤长度需限定在25mm.     

曲线上货物列车超速引起的脱轨过程分析

针对货物列车在曲线上因超速引起的脱轨问题,根据列车-轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析理论,采用轮轨位移衔接条件并考虑轮轨"游间"的影响,提出了货物列车超速条件下的脱轨过程计算方法.根据该方法,对不同曲线轨道形位等工况下的货物列车脱轨过程进行了计算,分析了列车脱轨过程中的轮轨接触状态、轮轨相对位置及几何尺寸.研究结果表明,随着曲线半径的增大,在列车脱轨瞬间,转向架摇头角及转向架与钢轨横向相对位移逐渐减小,最大值分别为5.82°和78.1 mm.该结果可为研发机械式的列车脱轨检测装置提供理论依据和基础数据,进而确保该检测装置能在列车脱轨掉道的第一时间检测到位,及时停车.     

轨道不平顺短波分量对列车-简支梁桥耦合振动的影响

轨道不平顺作为车-桥耦合振动的主要激励源,直接影响桥梁及高速列车运行的安全性和舒适性.为研究轨道不平顺中短波分量对列车-简支梁桥耦合系统动力响应的影响规律,以高速铁路32m简支箱梁为例,采用德国高速低干扰轨道不平顺谱生成轨道不平顺样本,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力学分析模型.对比分析了5种不同最短截止波长的轨道不平顺样本对耦合系统振动响应的影响规律.研究结果表明:轨道不平顺样本中1m左右的短波长分量会显著增加轮轨力、轮重减载率、脱轨系数和桥梁跨中加速度,但对桥梁跨中位移、轮轨偏移量和车辆振动加速度的影响较小;1~2m的短波长成分是引起轮重减载率超标的主要因素,减少轨道不平顺中1~2m的短波长分量可以有效提高列车行车安全性指标.     

柔性轮对高速列车通过道岔的动力学响应

为研究高速列车在柔性轮对条件下通过道岔时的动力响应,采用刚柔耦合动力学仿真方法,基于CRH380高速列车模型建立柔性轮对结构条件下的车辆—道岔刚柔耦合动力学模型。以柔性轮对高速列车模型为研究对象,通过18号高速道岔,分析轮对柔性与全刚体结构条件下的车辆模型的安全性、轮轨动态相互作用、车体振动加速度及轮轨接触位置分布指标。仿真结果表明,柔性轮对高速列车模型对车辆的轮轨动态相互作用影响较大,对安全性、车体振动加速度及轮轨接触位置分布等动力学指标影响较小。     

铁路列车作用下轻型桥墩横向振动试验研究

提速线路轻型墩桥梁横向振幅过大严重影响过往列车的安全,通过对轻型墩铁路桥的现场振动测试,得到了桥墩的横向振动特性,给出了列车过桥时轮轨作用力的典型时程曲线和列车的脱轨系数及轮重减载率,为进一步研究轻型桥墩的横向振动机理提供了实测数据.     

地铁引起环境振动的振源加速度

分析计算了列车运行引起环境振动的振源,即轨道作用于道床的振动加速度机制.建立了轮-轨-道床计算分析模型,将钢轨视为Winkler地基上无限长梁,建立并求解该梁的动力方程,得到列车移动静力产生的轨道振动加速度;根据Hertz接触理论,求得轮轨动接触力,利用Green函数模拟轨道因轨道不平顺和轮轨动接触力作用产生的变形,进而求得轨道不平顺和轮轨动接触力引起的轨道振动加速度;叠加上述两种加速度,即得列车引起环境振动的振源振动加速度;最后将理论计算结果和实测结果进行比较,吻合较好.     

考虑非平稳横风作用的列车-大跨斜拉桥 耦合系统动力响应

为了研究非平稳横风对列车-大跨斜拉桥耦合系统的动力响应,首先使用 EMD （经验模态分解）方法对已有实测台风数据进行处理,获得台风的时变平均风速,将风谱中的 平均风速替换成时变平均风速,通过谐波合成法模拟得到非平稳横风脉动风速 . 使用有限元 软件 ANSYS和多体动力学软件 SIMPACK 建立列车-轨道-斜拉桥耦合分析模型,非平稳风荷 载包括时变平均风引起的静风力和非平稳脉动风引起的抖振力. 计算了风-列车-大跨斜拉桥 耦合系统的动力响应,对比分析了平稳风与非平稳风作用下列车和斜拉桥的加速度响应以及 桥上列车的安全舒适性指标. 结果表明：对比平稳风,在非平稳风作用下列车的横向和竖向最 大加速度分别增大了12%和23%,桥梁的横向和竖向最大加速度分别增大了16%和7%,列车 的轮重减载率、轮轨横向力、脱轨系数分别增大了9%、14%和4%,列车的横向Sperling指标有 一定的增大,从而降低了桥上行车的安全性和舒适性;频谱图显示在低频区域内,非平稳风作 用下列车的竖向振动、横向振动和桥梁的横向振动会更加强烈.     

铁道车辆车轮跳轨全过程计算方法

为研究提速及高速列车跳轨脱轨机理,提出跳轨车轮位移及轮轨力的基本特征,强调考虑轮轨冲击作用的必要性.在具体计算时,应包含3种完全不同的动力学控制方程,分别是轮轨密贴时的方程、轮轨分离时的方程和轮轨冲击时的方程.研究结果表明:本文方法从本质上揭示了列车车轮跳轨全过程,能够描述车轮跳轨的主要信息;速度越大,车轮跳轨高度越高...     

地铁列车运行诱发临近低层建筑振动响应分析

地铁曲线段轨道扭转效应加剧列车运行所诱发的环境振动响应.基于曲线段轮轨法向力与蠕滑力模型,计算得到B型车通过350 m小曲率半径线路时的动态轮轨力.以苏州轨道交通2号线某曲线区间段为例,建立隧道-土层-建筑物二维有限元模型,对地铁列车运行时紧邻地铁线路一座低层建筑的振动响应进行分析.共采取定员与超员条件下近侧列车通行、远侧列车通行以及两车会车等6种计算工况.结果表明:曲线段地铁列车运行诱发该建筑物产生垂直与水平向振动;超员会车最不利工况下,比较各楼层垂向分频振级与标准限值发现,在频率7.8 Hz各楼层分频振级均超过标准限值;该建筑物垂向振级随楼层升高基本保持不变,水平振级随楼层升高近似线性增大.     

以应变式传感器为核心的人体脉搏信号采集与处理

针对人体脉搏信号采集时不客观及噪声源过多的缺点,以微振动测试技术为依据,研制了由计算机控制、以应变式传感器为核心的多路脉搏信号采集系统,该系统旨在在确定的取脉压力下,采集到多路清晰的脉搏信号.该系统以应变式传感器为核心,通过调节气囊控制取脉压力,探头与人体直接接触,可以直接采集多处位置微振动信号.同时由于人体微振动的信号特点,在不同的信号采集环境下,需要对信号进行分析处理.选择使用经验模式分解及小波分析对信号进行处理,提取了人体微振动信号中的有用信息.结果表明,在不同取脉压力的前提下,通过测试可得其分辨力在0.01 N以内,相对误差在5%以内,线性度5%,达到了预期的设计精度要求,相比压电材料具有更高的稳定性与静态精度.     

我国高速列车展望

通过对磁浮列车、轮轨高速列车以及轮轨摆式列车的优缺点比较,简要论述了各种高速列车在我国的使用条件、范围和发展前景。     

高速铁路列车对既有结构的动力影响分析

本文研究高速列车通过桥梁时,其对周围环境和既有建筑结构的振动影响分析方法。研究中,采用车桥耦合方法计算列车通过桥梁时的轮轨间竖向相互作用力,进而得到桥梁基底作用力并以Duhamel时程积分推算列车通过时临近结构物的振动状态,评估新桥高速列车通过对旧桥的动力影响程度。     

1∶5铁道车辆滚动实验台的教学实验开发

在1∶5铁道车辆滚动实验台上开发了一系列教学实验。蛇形运动教学实验:测量转向架横向位移的时域波形,分析出蛇形频率和运行速度的关系,计算车辆踏面等效斜率以及临界速度;轮轨力的测量实验:提出轮轨力连续测量的实验方案,测出轮轨横向力和垂向力;车体振型测量实验:采集车体振动信息,辨识出车体的5个振型及其对应的频率;车辆故障检测实验:测量踏面模拟故障状态的加速度,给出踏面故障的频率规律。     

基于碰撞振动的货运列车垂向动力学分析

以轮轨的碰撞振动为基础,考虑车身刚度和自然阻尼,构建货运列车垂向碰撞振动动力学模型,为一类三自由度上下碰撞振动系统动力学模型.借助于多自由度碰撞振动系统及其运动微分方程所得出的结论,紧密结合牛顿第二定律,推导出系统的解析解,明确该系统的Poincaré映射.仿真研究特定参数下系统的分岔图,为货运列车垂向动力学优化设计提供理论依据.     

1∶5铁道车辆滚动实验台的教学实验开发

在1∶5铁道车辆滚动实验台上开发了一系列教学实验。蛇形运动教学实验:测量转向架横向位移的时域波形,分析出蛇形频率和运行速度的关系,计算车辆踏面等效斜率以及临界速度;轮轨力的测量实验:提出轮轨力连续测量的实验方案,测出轮轨横向力和垂向力;车体振型测量实验:采集车体振动信息,辨识出车体的5个振型及其对应的频率;车辆故障检测实验:测量踏面模拟故障状态的加速度,给出踏面故障的频率规律。     

1∶5滚动实验台轮轨力连续测量系统

轮轨作用力是评价铁道车辆安全性的主要指标.针对1∶5小比例滚动实验台,开发了轮轨力连续测量系统.首先使用有限元分析和应变实验,得到小比例轮对的最佳测点位置.根据测点的应变输出特性,提出小比例滚动台的轮轨力连续测量方案:轮轨横向力采用轮测法测量,再结合轴测法测量轮轨垂向力.在横向力测量中,一侧车轮采用简易余弦桥,另一侧车轮采用直流桥.研制了小比例测力轮对,静态试验结果说明简易余弦桥的测试精度较高.论文最后给出了1∶5滚动实验台轮轨力的测量结果.     

列车通过连续钢桁梁桥时的动力响应研究

将列车-连续钢桁梁桥视为一个耦合的整体系统,采用桁段有限单元对连续钢桁梁桥进行离散,每节车辆采用具有21个自由度的二系弹簧车辆空间振动模型,列车与连续钢桁梁桥通过轮轨相互作用关系进行动力耦合,应用弹性系统动力学总势能不变值原理,建立列车-连续钢桁梁桥时变系统的整体振动方程;采用直接积分法计算了列车以不同速度通过2座连续钢桁梁桥时的桥上列车振动响应全过程,分析计算所得结果,可以得出2座桥梁行车安全的结论.